Таблица 6.1 Характеристики микро-ЭВМ

0 -безадресные, I - одноадресные, 2-двухадресные.

граммы, которые выполняются на той микро-ЭВМ или МП, для которых разрабатывается программа.

В настоящее время из-за ограничений памяти микро-ЭВМ и отсутствия транслирующих программ пользователи вынуждены, в большинстве случаев, составлять программу в машинных кодах. По мере появления транслирующих программ и увеличения емкости памяти микро-ЭВМ доля программ, написанных на языках высокого уровня, для решения более сложных задач будет возрастать.

В этой книге предлагаются и используются содержательные логические схемы алгоритмов, которые можно отнести в программно-выполняемой их части,- к программам, написанных на языке типа ассемблера. Использование СЛСА позволяет формализовать описание алгоритмов работы системы и перейти к составлению программы в машинных кодах.

Технические характеристики микро-ЭВМ, определяемые развитием электронной техники, за очень короткое время претерпевают довольно значительные изменения. Поэтому приведенные в табл. 6.1 данные по микро-ЭВМ позволяют получить лишь представление об их возможностях.

В заключение следует отметить, что микро-ЭВМ в настоящее время еще уступают мини-ЭВМ по разрядности (8-16 двоичных разрядов), быстродействию, (до 500 тыс. операций в секунду), емкости памяти (4-64 Кслов) и по составу периферийного оборудования, однако имеют значительное преимущество по размерам и стоимости, что и определяет их все возрастающее применение.

U О) S

11 s

От 4 до 32

От 0,128 до 2

От 0,256 до 2

Общая шина

ИФЭВМ

ИФЭВМ

юоэ

Много-платная

Одноплатная

Одноплатная

К536, К535

К586 К535

Пакет стандартных программ, трансляторы с языков ФОРТРАН, БЕЙСИК. АССЕМБЛЕР, тестовые программы

Диспетчер, библиотека стандартных подпрограмм, тран -слятор с языков ассемблера и БЕЙСИК, профилактические тесты

Кросс-ассемблер, транслятор с языка БЕЙСИК, моделирующие программы

6.3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ

В общем случае в состав МП входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок внутренних регистров, устройство управления (УУ), магистральные шины данных и ввода-вывода и устройство, осуществляющее связь МП с внешними устройствами.

Арифметико-логическое устройство МП аппаратно выполняет несколько простейших операций: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, сложение но модулю 2, пересылку, сдвиг и др. Более сложные действия выполняются по микропрограммам и подпрограммам. Виды операций, выполняемых АЛУ, а также состояние МП запоминаются на регистрах состояния.

Блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения (РОИ), команд, адреса, стек, указатель стека, индексные регистры, счетчик команд, регистр состояния, прямого доступа к памяти, накопительный регистр и т. д. Наличие внутренних регистров резко расширяет возможности АЛУ и позволяет повысить быстродействие МП. Следует заметить, что конкретные типы МП содержат различное количество перечисленных регистров. Очень часто функции этих регистров выполняют либо РОН, либо ячейки внешней памяти или же такие функции отсутствуют вообще.

Устройство управления МП в зависимости от способа организации управления может быть выполнено в одной из двух модификаций: функция управления реализуется с применением либо аппаратных средств, либо микропрограммирования.

Устройство управления первого типа в зависимости от кода соответствующе1Е команды вырабатывает последовательность сигналов, необходимую -цля выполнения МП предписанной командой.операции. В таком УУ обязательно наличие сложных в функциональном отношении дешифратора команд и блока формирования сигналов управления. При сравнительно высоком быстродействии такая организация процесса управления имеет существенный недостаток: при необходимости изменения отдельных команд или введении новой требуется переделка УУ.

Второй способ организации процесса управления предполагает наличие специального ЗУ микрокоманд, хранящего набор микропрограмм, соответствующих кодам операций. Последовательное выполнение этих микропрограмм обеспечивает появление необходимых сигналов управления в МП, чем достигается выполнение соответствующей операции. При таком варианте построения УУ изменение состава команд сводится к замене содержимого ЗУ микрокоманд. Однако постоянное обращение к ЗУ микрокоманд ограничивает быстродействие МП.

В различных МП используются одна, две или три внутренние шины, что существенно влияет на характеристики МП. Увеличение числа шин приводит к повышению быстродействия (появляется возможность выполнения операций за меньшее количество тактов), но при этом часть площади кристалла занимается шинами. При уменьшении числа шин операции в МП выполняются за несколько тактов и появляется необходимость в дополнительных регистрах, правда, при этом функциональные возможности МП расширяются.

Количество внешних интерфейсных шии у разных МП колеблется от одной до трех. По этим шинам передаются данные, управляющие сигналы и адреса. В зависимости от числа шин эти операции производятся за различное число тактов, что в значительной мере определяет быстродействие МП.

У МП с тремя шинами по шине данных передаются операнды (числа, над которыми осуществляются операции) и команды.

Внешняя шина адреса МП необходима для адресации к внешней памяти и другим внешним устройствам.

По двунаправленной шине управления передаются сигналы от внешних устройств к МП и обратно. Эти сигналы могут характеризовать состояние внешних устройств. С помощью сигналов управления осуществляются запрос и разрешение на прерывание, а также запись и считывание информации при работе с внешней памятью и т. п.

Структурно МП может быть выполнен в одной из двух известных модификаций:

с фиксированной разрядностью обрабатываемых слов и фиксированной системой команд (например, МП из МПК К580);

с возможностью наращивания разрядности обрабатываемых слов (секционированные МП) и микропрограммным управлением (например, МП из МПК К589).

Структура МП первого типа во многом повторяет структуру ЭВМ малой и средней производительности. Логическая структура секционированных МП с наращиваемой разрядностью существенно отличается от предыдущего типа МП В таком МП операционная часть (АЛУ, регистры общего и специального назначения, дешифратор микрокоманд и т. п.) разделена на равные части (по 2, 4, 8, 16 разрядов), которые называются секциями. Количество таких секпий зависит от решаемых МП задач и определяется потребителем. Устройство управ-

екня в секционированных МП реализуется в виде отдельных интегральных микросхем большой, срдней и малой степени интеграции (например, БИС микропрограммного, управленья, БИС ПЗУ микрокоманд и т. п.).

. 6.4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

В составе МПК ИС можно выделить следующие основные группы интегральных микросхем большой степени интеграции (БИС):

БИС, на основе которых строится МП, - это так называемый базовый ком-йлект;

БИС запоминающих устройств, образующих систему памяти (микросхемы 0:ЗУ,-ПЗУ, ППЗУ);

БЙС, осуществляющие связь между отдельными узлами вычислительного устройства: между МП и УВВ - АЦПУ, графопостроителями, дисплеями, фото-считьшателймй, внешними накопителями информации и т. п.;

БИС, используемые при создании управляющих и измерительных комплексов, которые осуществляют связь между МП н объектом, - АЦП, ЦАП, компараторы,- прео(5разователи, усилители и т. п.

.Таблица 6.2. Характеристики микропроцессорных комплектов интегральных микросхем серий К580 и К589

С

Тип микросхемы

Функциональное назначевие схемы

о л

К aJ я-

,2 ° С е

и

.111

К580ИК80

К580ИК51

К580ИК55

К589ИК1

К589ИК02

К589ИК03

К589ИР12

К589ИР14

К589АП16 К589АП26

К589ХЛ4

К556РТ4 КБ56РТ5 К556РТ6 К556РТ1

МП . .

Последовательный периферийный адаптер

Параллельный перифе-риРный адаптер

Блок микропрограммного управления

Центральный процессорный элемент

Схема ускоренного переноса

Многорежимный буферный регистр

Блок приоритетного прерывания

Шинный формирователь

Шинный формирователь с кнверсией

Многофункциональное синхронизирующее устройство

Электрически программируемая логическая матрица

8 8 6

2 п 2 п 8 8 4

1К 4К 16 К

И

12,5

50 6.1

14 12,5 10

0,35

0,7 О,/

0,7 0,8 1,0 1,0

5; 12;

-5 5

5 5 5 5

48 48 48 40 28 28 24 ;>1

1С 16

24 24 28

-10-:--Ь70

-10- --1-70

Базовый МПК ИС может состоять из одной БИС - однокристальный МП, двух БИС - двухкристальный МП, нескольких БИС - многокристальный МП.

В устройствах, осуществляющих связь между МП и УВВ, МП и ВУ (или объектом), используются так называемые контроллеры, являющиеся устройствами логического управления. Они могут строиться иа базе микропроцессорных БИС и других интегральных микросхем меньшей степени интеграции.

В табл. 6.2 для иллюстрации приведены данные МПК К580 и К589, широко используемых на практике.

Следует учесть, что при построении устройств иа базе конкретного МПК можно использовать интегральные микросхемы, ие входящие в его состав, например ИС МПК К536 хорошо согласуются с ИС К535 и т. д. Более подробно с этими, а также другими связанными с функционированием отдельных ИС МПК вопросами можно познакомиться по [6.2, 6.3].

МПК имеют разрядность 2Хп, 4Хп, 8Хп, 8 и 16, включают от 3 до 12 типов БИС, имеют быстродействие от 30 до 500 тыс. операций в секунду, мощность, потребляемая одной БИС, колеблется от 0,001 до 1,2 Вт.

При организации обмена информацией в МПК преимущественно используется интерфейс Общая шина .

В ближайшее время нужно ожидать повышения производительности БИС, входящих в состав МПК, создания БИС памяти емкостью до 256 Кбайт, разработки для микро-ЭВМ резидентных трансляторов языка высокого уровня, специализированных БИС (быстрого преобразования Фурье, ассоциативных процессоров и т. п.).

В настоящее время имеются факторы, затрудняющие применение МПК. К таким факторам в первую очередь относятся отсутствие промышленного выпуска средств отладки систем с МПК и программ их работы, неполнота выпускаемых МПК (в некоторых МПК нет системных контроллеров, узлов сопряжения и др.), различающиеся интерфейсы в разных МПК, отставание в выпуске АЦП, ЦАП и отсутствие миниатюрных, простых и дешевых периферийных устройств, ориентированных на работу с МПК.

6.5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КЛАВИШНЫЕ ЭВМ

При построении ИБС могут использоваться программируемые электронные клавишные вычислительные машины (ПЭКВМ) или программируемые калькуляторы [6.4]. Примером таких ПЭКВМ могут служить Электроника-70 , Элек-троника-70М , Электроника С-50 и ПЭКВМ фирмы Хьюлетт-Паккард (США): НР9815, НР9825, НР9830, НР9845. В ПЭКВМ программа и исходные данные вводятся непосредственно с клавиатуры. Составление программы на языке ПЭКВМ значительно проще и удобнее для пользователя, чем аналогичной программы для малых ЭВМ.

По своей структуре ПЭКВМ сходны с микро-ЭВМ с микропрограммным управлением. Различие заключается в том, что ПЭКВМ обязательно имеют блоки индикации и клавиатуры, что же касается интерфейсных блоков, связывающих ПЭКВМ с внешними устройствами, то они представлены в значительно меньшем количестве, чем у микро-ЭВМ.

Чтобы яснее представить возможности современных ПЭКВМ, приведем их основные технические характеристики [6.4]. В ПЭКВМ используются два способа представления чисел -с фиксированной и плавающей запятой, разряд-

ддр^РЬ чаще всего 8-10 десятичных знаков; емкость ОЗУ - от сотен слов до

4 Кбайт и более (во многих ПЭКВМ предусмотрена возможность наращивания емкости памяти); цикл обращения к памяти, как правило, не превышает 2 мкс, время выполнения основных операций составляет примерно 1-100 мс. Широко используются программируемые БИС ПЗУ для организации микропрограммного управления; разрядность и емкость таких ПЗУ зависит от структуры и организации ПЭКВМ. В качестве периферийного оборудования используются чаще всего печатающее устройство, иногда графопостроитель, может проводиться работа с внешним ЗУ. Интерфейсный блок позволяет осуществить управление внешними приборами.

Наиболее распространенными языками программирования для ПЭКВМ являются алгебраические (формульные) и алгоритмические языки высокого уровня (чаще всего язык БЕЙСИК). В простейшем случае каждой команде (оператору) соответствует одна клавиша. При увеличении количества команд оператор команды задается с помощью нескольких алфавитных символов.

При редактировании и отладке программы осуществляется вывод на индикатор операторов и операндов, записанных ранее в ОЗУ. Большинство современных ПЭКВМ имеет специальные клавиши для выполнения команд редактирования, таких, как сдвиг программы и ее частей вперед и назад, стирание или замена оператора или операнда, вставка пропущенного оператора или операнда и т. д. После того как программа проверена и отредактирована, осуществляется ее проверка в пошаговом режиме с контролем промежуточных результатов Только после получения ожидаемого результата программа окончательно готова. Теперь она может быть выведена из ОЗУ по шиие данных через интерфейсный блок на встроенный магнитный кассетный накопитель, ленточный перфоратор или цифровую печать.

По сравнению с мини-ЭВМ ПЭКВМ имеют меньшее быстродействие и мень шую емкость памяти, кроме того, в них отсутствует система прерывания и менее представительно осуществляется связь с внешними устройствами.

Меньшее быстродействие ПЭКВМ объясняется, во-первых, большой разрядностью, а во-вторых, каждая команда ПЭКВМ (за исключением логических) эквивалентна 100, а то и более командам мини-ЭВМ (например, умножение десятичных чисел в системе с плавающей запятой, вычисление тригонометрических функций и т. д.), поэтому разница в быстродействии достигает 5-10 раз. Оперативная память ПЭКВМ расходуется более экономно и эквивалентна ОЗУ значительно большей емкости мини-ЭВМ.

С учетом вышеизложенного применение ПЭКВ оправдано при построении относительно несложных и медленнодействующих ИИС, в которых обработка информации от измерительных преобразователей осуществляется последовательно. Следует отметить, что в этом случае ПЭКВМ может быть использована для проведения расчетной работы (помимо работы в составе ИИС).

Для ИИС высокой производительности, с большим составом разнообразного оборудования, обработкой информации, содержащей большое количество логических операций и выполняемой в реальном масштабе времени с использованием системы прерываний, предпочтение следует отдать универсальным программируемым вычислительным устройствам.

Промышленностью выпускаются специализированные управляющие вычислительные устройства типа Электроника ДЗ-28 и Электроника ТЗ-29 , которые построены на сочетании принципов построения ПЭКВМ и управляющих ЭВМ.

Они предназначены для обработки данных и автоматизации научно-технических расчетов, для построения автоматизированных систем контроля и управления и информационно-справочных систем с малым объемом данных.

Запись информации в ОЗУ может осуществляться с клавиатуры, с кассеты встроенного накопителя МЛ, с периферийных устройств или с устройств, имеющих прямой доступ к памяти. Управление операциями может осуществляться по программе, с клавиатуры и из периферийных устройств.

Рассматриваемые машины обеспечивают взаимодействие с комплексом периферийного оборудования, в состав которого могут входить различного рода источники цифровой информации, устройства хранения, приема, выдачи и отображения информации, совместимые по интерфейсу ввода-вывода. Электроника Д2-28 имеет интерфейс типа Общая шина , а Электроника Т2-39 - стандартный приборный интерфейс. В качестве устройств ввода-вывода в рассматриваемых ЭВМ используются указанные ранее клавиатура и индикаторное табло на 32 цифры, а также пишущая машинка типа Консул-260.1 , фотосчиты-вающее устройство типа FS-1501 и перфоратор ПЛ-150.

Объем информации, который можно хранить с помощью МЛ на одной стороне кассеты, - до 200 Кбайт, а скорость чтения - записи - около 445 байт/с. Максимальная скорость обмена (ввод-вывод) информацией с периферийными устройствами, число которых практически ие ограничено, равна примерно 70 кбайт/с.

Вышеуказанные ЭВМ работают с 16-разрядными двоичными и десятичными числами в режиме с фиксированной и плавающей запятой, имеют примерно 460 программируемых команд, емкость ОЗУ от 16 К до 32 Кбайт, используют 12 типов адресации. При работе могут использоваться прямой доступ к памяти и система прерываний, имеющая три внешних уровня прерывания (по пяти различным сигналам) и один внутренний (по сигналу некорректности операции).

В соответствии с техническим описанием ЭВМ Электроника ДЗ-28 примерное время выполнения отдельных операций составляет: для операции управления- 0,079 мс, логических операций - 0,049 мс, операций сложения, вычитания - 0,77 мс, умножения, деления - 4,67 мс, вычисления тригонометрических функций--67 мс. ЭВМ Электроника ТЗ-29 обладает значительно более высоким быстродействием; так, например, операция сложения в ней выполняется за 12 мкс. При написании программ для Электроники ДЗ-28 может быть использован язык БЕЙСИК, а для Электроники ТЗ-29 - ФОРТРАН.

Учитывая вышеуказанное, можно сделать вывод, что при построении относительно медленных ИИС с большим количеством внешних устройств, где не требуется обработка информации в реальном времени, целесообразно использовать рассмотренные ЭВМ типа Электроника ДЗ-28 и Электроника ТЗ-29 .

К сожалению, уровень надежности этих машин пока относительно невысок (наработка на отказ при доверительной вероятности 0,8 только не менее 1000 ч). Однако с улучшением технологического процесса изготовления и более широким применением БИС уже в ближайшее время будут достигнуты более высокие показатели надежности.

6.6. ТАБЛИЧНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Обычным в ИИС является применение ЗУ для хранения информации и согласования динамических характеристик различных частей систем путем изменения отношения скорости записи (в ЗУ) и воспроизведения (из ЗУ) информации.

поиск го-вычислений в

1 2 3 if 5 6 7 8 SW

Рис. 6.2. Матрица умножения

Заслуживает серьезного внимания возможность занесения в ЗУ по заданным адресам результатов и последующего использования подсчитанных или определенных заранее функций от этих адресов. При этом как бы реализуется автоматический тового результата таблице.

При одноадресной реализации поле адресов Z соответствует множеству значений функций F{Z) и имеется возможность получения последовательности заранее определенных результатов преобразований информации z : = Fi (z) : =г =F2[fi(2)] ... Преобразования F, могут быть преобразованиями кодов, логарифмическими, тригонометрическими и другими функциями одного аргумента, С помощью таких преобразований может производиться, в частности, линеаризация результатов измерения.

При двухадресной реализации ziZ2 можно отыскивать заранее определенные функции двух неременных: (zi, z) : =4i{zi, z) : =42[4i(Zb 22)] ... Еслч адреса (неременные) представлены в число-имнульсном коде, то возможно использование матричных сеток [6.5, 6.6]. Структура их будет зависеть от вида выполняемых преобразований и заданных погрешностей. На рис. 6.2 представлена матрица умножения чисел zi и Z2. При подаче сигналов на входы Zi и Zj образуется цепь, выдающая сигнал в зоне, обозначающей значение предварительно подсчитанных произведений этих чисел. На матрице выделены зоны равных значений произведений чисел zi и Z2 (например, 2X10 и 10X2, 4X5 и 5X4 и др.), объединенных с учетом заданных погрешностей округления результата. Наибольшие значения произведений всех зон показаны на матрице справа.

Для реализации заданной последовательности поиска результатов нескольких преобразований может быть организована схема, содержащая несколько последовательно соединенных матриц. На рис. 6.3 показана структурная схемл устройства, выполняющего поиск результата вычисления но формуле №'эф = =Zi/F,(z2, z3)zoz,. На выходе этого устройства производится статистическая обработка, связгшная с получением распределения реализовавшихся значений И^эф.

Значительно большими воз.можностями обладают реализации табличных методов преобразования информации, оперирующие с двоичными кодами и основанные на использовании полупроводниковых ЗУ. Современная электронная промышленность выпускает полупроводниковые ЗУ различного назначения (ОЗУ, ППЗУ, специальные виды ЗУ), со статическим и динамическим методами, хранения, с различными принципами размещения и поиска информации (адресные, ассоциативные и др.). Широкое распространепие получают программируемые логические матрицы [: /].

Подробное рассмотрение устройств с табличными методами преобразования информации выходит за пределы настоящей книги, ограничимся лишь кратким рассмотрением общих свойств и некоторых областей возможных применений этих устройств в ИИС.

Основные достоинства устройств, основанных на использовании табличных методов преобразования информации, связаны с высоким быстродействием, ограниченным лишь временем завершения переходных процессов в устройстве и поиска готовых результатов, с повышенной надежностью работы, с возможностью выполнения работ по подготовке таблиц готовых решений на высокопроизводительных ЭВМ и программ на языках высокого уровня.

Т7Т7Т

(Z2-Z3)

Рис. 6.3. Структурная схема матричного устройства

Использование ЗУ с двухадресной организацией хранения информации может обеспечить труднодостижимое другими средствами быстродействие. Для уменьшения емкости ЗУ целесообразно исключить избыточность, связанную с наличием зон одинаковых результатов предварительно сделанных вычислений. Возможно, что здесь окажется полезным разумное сочетание табличного метода и программных вычислений.

Табличный метод используется в серийно выпускаемых преобразователях двоично-десятичного кода в десятичный и обратно, двоичного кода в код управления семисегментным индикатором, в программируемых ПЗУ, где можно реализовать практически любые преобразователи кодов. Запоминающее устройство используется для хранения и формирования диагностических тестов по известным формальным описаниям объектов диагностики. Линеаризапия характеристик датчиков, нормирование и масштабирование результатов измерения входят .8 число задач, которые эффективно решаются табличным методом.

Логические программируемые матрицы целесообразно использовать для создания устройств управления, для хранения программ-трансляторов и т. п.

В заключение можно сделать вывод, что применение табличного метода, 11еализованного в устройствах с полупроводниковыми ЗУ, может существенно улучшить характеристики систем, упростить выполнение ряда функций благодаря замене части программной их реализации аппаратной. Именно в сочетании программного и аппаратного выполнения функций в системах, в возрастающей роли ЗУ можно усмотреть один из путей развития ИИС.

Часть третья

АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ ИИС. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Структура цифровых ИИС, как уже говорилось в гл. 1, содержит аналоговую, аналого-цифровую и цифровую части.

Аналоговая часть таких систем состоит из датчиков и измерительных цепей, на выходе которых формируются измерительные (в большинстве случаев электрические) сигналы.

Основная задача аналого-цифровой части ИИС заключается в выполнении совокупности аналого-цифровых преобразований.

Цифровая часть ИИС состоит из цифровых вычислительных w управляющих средств, зачастую основанных на микропроцессорной технике, устройств хранения и представления информации.

Аналого-цифровые и цифровая (преимущественно программируемые) универсальные устройства, действующие совместно, образуют измерительно-вычислительный комплекс.

Ниже рассмотрим структуры, алгоритмы и характеристики типовых устройств, из которых строятся ИВК.

Нужно отметить, что в АСЭТ и других агрегатных комплексах ГСП эти устройства входят в номенклатуру нормальных рядов и выпускаются промышленностью. Производство таких агре-гатируемых устройств должно обеспечить возможность компоновочного проектирования ИВК.

Глава 7

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ 7.1. виды МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ в ИИС

Информационные преобразования в аналоговых измерительных цепях могут осуществляться над сигналами, имеющими различные информативные параметры, или, иными словами, над сигналами с различными видами модуляции.

В аналоговой части ИИС в качестве модулируемых величин чаще всего-используются периодические гармонические колебания a{t)=Am cos (шо-ЬФо) и

периодические последовательности импульсов a(t, Го)= Ф {-<А),где * 10, ,-Ьх << ,.